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石墨烯电池还是个神话 不如看看超级电容器 (图)

石墨烯电池将改变电动汽车的未来?听起来很神是吧?事实上这一切还只是传说。就连现实中被寄予厚望的超级电容器还困难重重呢。听听中国电动汽车百人会会员、中国工程院院士杨裕生怎么看储能的未来。

石墨烯电池将改变电动汽车的未来?听起来很神是吧?事实上这一切还只是传说。就连现实中被寄予厚望的超级电容器还困难重重呢。听听中国电动汽车百人会会员、中国工程院院士杨裕生怎么看储能的未来。

什么是超级电容器?

超级电容器是一种功率型的储能器件,通过电极材料与电解液界面形成双电层,或电极表面快速的氧化还原反应来储存电能。与人们熟知的普通电容器相比,在相同重量的情况下,它的电能储存量和放电时间要大出成百上千倍,而功率只有普通电容器的约1/10。

超级电容器可以分为三类,准(赝)电容器、混合型超级电容器和双电层电容器。双电层电容器,正、负极均使用超高比表面活性炭,俗称电容炭。准电容器,以金属氧化物、导电聚合物为电极材料。其中,双电层电容器中碳碳正、负极的有机介质电容器在目前电动汽车中最为常用。其中C/C无机体系和C/C有机体系,由于其电压在2.7V,比能量3~6Wh/kg,比功率3~12kW/kg,循环寿命达到106次,是目前电动汽车应用的首选。

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超级电容器是一种储能设备

超级电容器有什么优缺点?

其主要具备使用寿命长、充电时间短、可显示存电量、材料无限、低温性能良好等优点。因此,被人们在新能源汽车的应用中赋予了较大期待。

与锂离子电池相比,其储能的过程并不发生化学反应,所以能够快充快放,功率高出电池十倍;低温性能良好;循环使用寿命长达百万次,是锂离子电池的几百倍。虽然价格通常要比同等蓄电量的锂离子电池高出约10倍,但长循环寿命足以弥补价格高的问题。

但同时,超级电容器也存在重量和体积的比能量低、价格贵的缺点。目前的超级电容器充电一次只够电动汽车行驶几公里,每千瓦时的蓄能产品价格却是电池的近10倍。这两大问题是超级电容器在电动汽车应用上难以大量推广、单独使用的瓶颈。

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超级电容器怎么用在新能源汽车中?

目前,超级电容器已经作为储能部件应用在混合动力公交车、增程式 电动公交车、燃料电池汽车、城市轨道交通、纯电动汽车上。主要与其他能量部件(发动机、蓄电池、燃料电池)并联工作,提供车辆启动需求的高功率,承受制动 能量回馈和大电流快速充电的高功率冲击。在城市公交中也可单独使用。

超级电容器的使用效果显著。与传统燃油汽车组成混合电动车时,超级电容器的使用通过回收刹车能量就可有10%至20%的节油率。但是,超级电容主要发挥的还是配角作用,如果与内燃机并联,可减小其设计功率,减轻重量,节省油料,降低污染;如果与燃料电池并联,则可使其适应加减速的需求;如果与各种蓄电池并联,则可延长电池寿命,回收车辆减速时的动能,节省能源。然而,在短期内,超级电容器有其局限性,除电动公交外,它还不能作为普遍、独立的车用储能电源。

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超级电容器技术突破难在哪里?

不断提高性能,是超级电容器的立命之本,其中的核心技术主要包括 以下三个方面。首先,如何获得高性能、低成本炭材料将成为技术攻关的关键。我们总结双电层电容器对多孔电容炭材料性能要求时,有“六高”,即高比表面、高 中孔率、高电导率、高堆积比重、高纯度、高性价比。这些指标间彼此相互矛盾、极难兼顾,必须精心调节优化。在超级电容器的成本中,作为精细化工产品的超高比表面活性炭占了很大部分。

其次,作为超级电容器核心技术,高电导率电解液的技术突破也同样重要。目前,超级电容器所用电解质主要为四氟硼酸四乙基铵和甲基三乙基四氟硼酸铵材料,溶剂普遍使用乙腈,其黏度低,电导率高。但乙腈毒性较大,沸点很低易燃烧,电动车使用超级电容器中出现过燃烧等安全事故。日本等一些发达国家已禁止乙腈体系超级电容器用于电动车。目前,国内外正在加紧开发如GBL、EA、PC等的新型溶剂。

最后,超级电容器单体低内阻电极工艺与装配技术作为超级电容器核心技术之一,目前其市场主要被美国Maxwell所占据。与其使用预制厚极片贴在涂炭铝箔上的工艺相比,国产超级电容器多采用类似锂离子电池的直接涂炭方法其实通用性更强,如果技术攻关取得突破,随着产业化生产,我国有望这在方面实现超越。

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石墨烯到底有没有那么神?

社会上目前对于石墨烯超级电容器的炒作比较多,但是这与实际情况还有一定距离。理想的单层石墨烯可有2700m2/g的比表面,电导率高,似乎是双电层电容器的优良电极材料。实际可用的石墨烯是5-10层, 比表面只几百克每平方米;它的堆积比重很小,同等体积电容器中的装载量比活性炭少很多,电容器的重量比能量和体积比能量将进一步降低。同时,石墨烯片层边 缘的悬键具有高活性(不稳定性),如用作主要储能材料,电容器的性能将逐渐衰退。相比之下,石墨烯制备价格高昂还不是主要问题。短时间内,石墨烯作为储能材料还难以有突破性进展,而只宜作为导电添加剂,在电极中混入1%以下的用量。

超级电容器能让电动汽车更实用更便宜吗?

我国超级电容器2004年,上海市在国内首先建成超级电容器电动公交线路。2012年,南车时代、宇通客车等汽车厂家已将超级电容器运用在混合动力客车。然而,由于超级电容器目前存在能量密度较低的缺点,充电一次只够电动汽车行驶几公里,只能在设有充电站的固定公交线路上作为“单独”电源使用,而难以在电动汽车上普遍单独使用。

超级电容器的成本中,作为精细化工产品的超高比表面活性炭占比很大。目前,国内相关材料的生产多为间歇式生产,效率低,产品性能不稳定,高性能的电容炭主要依靠进口。而每吨30万元至80万元不等的进口价格,使我们想得到“更加便宜的超级电容汽车”的梦想难以实现。要“更加便宜的超级电容汽车”,就要从电容炭降价入手。

超级电容器会引发新能源汽车革命性发展吗?

在可见的未来,超级电容器的比能量还难以取得大的突破。新的趋势是发展“内并”的新型储能器件。目前,在混合电容器的基础上,出现了新的衍生产品:混合型电池电容器、电容型锂离子电池、电容型铅酸电池(即铅炭电池)等。它们的优势明显,一方面省去并联线路,另一方面能够自动调整电压、简化管理系统,加快电池充电。降低了使用成本。其比能量远高于电容器,比功率和寿命却高于电池。可以预料这种“内并联”使用的模式将在电动汽车中获得越来越多的应用。

储能器件各有千秋,在互补借鉴中发展,在发展中竞争共存,不必刻意谁取代谁,让市场去客观评判,切忌“科技王婆”卖瓜。同时,随着电动汽车的发展,超级电容器及其衍生产品的市场将快速扩大,对电容炭的需求将日益增加,国产化势在必行,建议政府部门给电容炭研发和生产以大力支持。

本文来自新能源汽车报,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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